專利名稱：一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應
陰極反應
在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的流體孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作移動式或固定式發電站。
質子交換膜燃料電池一般由若干個單電池組成，將這些單電池以串聯或并聯的方式連接起來構成質子交換膜燃料電池堆，將質子交換膜燃料電池堆與其他運行支持系統組合起來構成整個質子交換膜燃料電池發電系統。
由于每個質子交換膜燃料電池堆模塊一般由若干個單電池串聯或并聯而成，因此對燃料電池工作電壓，特別是所有單電池工作電壓監控與安全報警自動控制尤為重要。因為整個燃料電池發電系統的任何不正常情況，如過電流，超出正常工作溫度等都會表現出一些單電池工作電壓處于異常狀態。特別是當出現電極擊穿時，該電極所在的單電池輸出電壓會達到異常數值，如接近于零，甚至出現負值，而其他正常的單電池工作輸出電壓一般在1.2～0.5V之間。長時間運行在負值的電極會造成永久損壞和存在不安全因素。所以對燃料電池堆每個模塊的單電池監測是非常重要的，當個別或一些單電池工作電壓低于其他單電池正常工作電壓時，燃料電池發電系統的控制子系統應及時報警，甚至執行停機，切斷負載，切斷氫氣供應等命令。
參閱圖1，圖2。圖1為原有燃料電池電壓單電池電壓檢測器電方框圖，包括燃料電池堆101，若干光電開關102，A/D轉換器103和CPU 104。圖2為原有燃料電池電壓監測裝置原理圖，包括燃料電池堆201，燃料電池電壓單電池電壓檢測器202，燃料電池控制器203，CAN總線204。
如圖2所示，在傳統控制方式中，燃料電池電壓監測器測得監測點電壓后，把每一個監測點的測量值都通過CAN總線發送給控制器。由于受CAN總線通訊速率、每個燃料電池需要監測的往往是成幾十至幾百個單電極運行狀況等因素的制約，通常采用循環間隔發送的方法向燃料電池控制器發送每個監測點電壓值，控制器對所有的數據進行分析得到燃料電池電極性能是否正常。通常有采取增加監測點監測的燃料電池電極的數目來彌補通訊速度的不足。上述做法存在以下不足
1.由于向控制器發送了所有的監測點電壓，這樣控制器得到每個監測點前后兩次電壓值的時間相差往往在幾百毫秒至1000毫秒以上。控制器無法實時判斷燃料電池電極工作是否正常。
2.大量的數據在CAN總線上傳輸，降低了通訊的可靠性。
3.控制器需要對大量的監測點電壓數據進行處理。
4.增加監測點的數目不能完全彌補通訊速率的不足，同時會造成在燃料電池電極發生故障時，由于一個監測點測量了太多的電極而無法確定具體是哪一張電極出現故障。
上海神力公司“一種適合大規模集成式燃料電池的電壓監測與監控裝置”(發明專利申請號2004100175089；實用新型申請號2004200216703)。該專利實用新型所要解決的技術問題是提供一種適合大規模集成式燃料電池的電壓監測與監控裝置。該裝置中所采用的單電池電壓監測器包括具有控制器區域總線(CAN總線)通訊接口的單片機、若干光電開關裝置，光電開關裝置與需監控的單電池一一連接，單片機的輸出信號巡回控制相應光電開關裝置的導通或閉合，并將采集到的數值過濾處理后通過CAN總線發送到分析控制器。其單電池電壓監測器的原理示意圖如圖2所示。
該專利技術雖然可以對大規模集成式燃料電池中的一個單電池或一組單電池的輸出電壓進行監測，但也存在一些技術缺陷，該技術的工作原理為通過單片機的CPU的I/O口切換所對應的光電開關關閉或打開，CPU工作時需保證保證每次只接通2路相鄰的光電開關，相鄰2路單電極的電壓差被送到單片機中的A/D轉換器進行模數轉換，CPU將轉換的數字量和電壓值對應，從而獲取監測點電壓。但是當單片機CPU受到干擾時，其控制光電開關的I/O端口上的信號可能發生翻轉，由0變1或由1變0，當信號是由0變1時，將造成I/O端口上的信號同為1的兩個電極發生短路，使得該路單電極電壓也串入CPU中。較高的電壓加到了CPU上，輕則造成燒壞CPU，重則造成燒壞電極的后果。
實用新型內容
本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，該裝置包括單電池電壓檢測器、燃料電池控制器，所述的單電池電壓檢測器包括若干差分放大器、若干多路開關、具有控制器區域總線(CAN總線)通訊接口的單片機，所述的單片機包括A/D轉換器和CPU，所述的若干差分放大器與需要監測的單電池一一對應連接，監測燃料電池電堆的兩片單電極間的電壓差，所述的多路開關在CPU的控制下輪流切換斷開或導通，所述的A/D轉換器將多路開關導通時獲取的差分放大器輸出電壓信號轉換為數字信號，所述的CPU獲取該數字信號并經過分析得到對燃料電池電壓的監測信息，單片機將該監測信息通過CAN總線發送到燃料電池控制器。
所述的差分放大器為一種精確的低功耗單位增益差分放大器，在通常模式下有較大的輸入范圍，它由一個帶超高精度薄膜電阻網絡的超精密雙極運算放大器組成，有較精確的1V/1差分增益和在共模方式下有較高的抑制比，電阻網絡卓越的溫度特性曲線，適用于-40℃到+85℃工業現場環境。
所述的燃料電池的每相鄰兩塊單電極使用一個差分放大器，監測具有多個單電極的燃料電池電堆電壓時，順序采用多片差分放大器；所述的差分放大器有低、高兩個電壓信號輸入端Vin-、Vin+，一個輸出端Vo；燃料電池的每個單電極有一個電壓輸出端；燃料電池電堆中第一片單電極的電壓輸出端僅與第一片差分放大器的低電壓輸入端Vin-相連，最末一片單電極的電壓輸出端僅與最末一片差分放大器的高電壓輸入端Vin+相連，其它每一個單電極的電壓輸出端分為兩路，分別與相鄰兩差分放大器的高、低電壓輸入端相連。
所述的多路開關輸入端與差分放大器的輸出端對應連接，當差分放大器的個數超過一個多路開關的輸入端連接數時，采用多個多路開關，多路開關在CPU控制下輪流導通。
所述的A/D轉換器的輸入端與多路開關的輸出端相連，當采用多個多路開關時，對應采用多個A/D轉換器。
所述的燃料電池堆根據所組成的單電池總數的多少，可以設置一個或多個這種燃料電池單電池電壓監測器。
所述的監測裝置可以實時對所監測的燃料電池電極的性能進行分析，所述的監測點的分析信息包括電壓最低的一個或幾個監測點的編號及電壓值，當某個監測點的電壓低于燃料電池電極所允許的極限值并超過允許時間時產生的關機信息，當某個監測點的電壓低于燃料電池電極所允許的故障值并超過允許時間時產生的故障信息，所有監測點的總電壓值。
所述的監測裝置可選擇發送所有監測點電壓值。
本實用新型由于采用了以上技術方案，克服了原有技術中的缺陷。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點
1.由于每兩個電極之間采用一片差分放大器，因此電極之間不會產生短路現象，保證了電極和CPU的安全。
2.由于采用了高精度的差分運算放大器，提高了電池電壓的測量精度。
3.控制器可以實時得到電極工作性能。
4.減少了數據通訊量。
5.大大減少了控制器的數據處理量。每個電壓監測器對監測點電壓的進行分析信息，通知控制器是否進行緊急關機、故障處理等動作。
6.可以迅速得知出現故障電極的位置。
圖1為原有燃料電池電壓單電池電壓檢測器電方框圖2為原有燃料電池電壓監測裝置原理圖3為現燃料電池電壓單電池電壓檢測器電方框圖4為現燃料電池電壓監測裝置原理圖5為差分運算放大器的輸入輸出口示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。
參閱圖3，圖4。圖3是為本實用新型的燃料電池電壓單電池電壓檢測器的一種實例的電方框圖，包括若干差分放大器302、若干多路開關303、單片機中包括的A/D轉換器304和CPU 305，若干差分放大器302與需要監測的單電池301一一對應連接，監測燃料電池電堆301的兩片單電極間的電壓差，多路開關303在CPU 305的控制下輪流切換斷開或導通，A/D轉換器304將多路開關303導通時獲取的差分放大器輸出電壓信號轉換為數字信號，CPU305獲取該數字信號并經過分析得到對燃料電池電壓的監測信息。結合圖4，燃料電池電壓單電池電壓檢測器中的單片機將監測信息通過CAN總線404發送到燃料電池控制器403。在該圖中，該裝置檢測單電池總數為32路。
參閱圖5，為差分運算放大器的輸入輸出口示意圖，Vin+、Vin-為差分放大器的兩個高低電壓輸入端，Vo為差分放大器的電壓輸出端。
實施例1
結合具體的元器件型號對本實用新型作進一步的敘述。
結合圖2，差分放大器采用INA148±200V共模電壓差分放大器，CPU采用PHILIPS公司的LPC2119單片32位ARM芯片，它內帶4路A/D轉換器，帶CAN總線接口，多路開關采用74HC4051八通道多路轉換器，其工作過程如下
1.用INA148測出兩片電極間的電壓差Vo＝(Vin+)-(Vin-)
2.用8選1多路開關在8片電極間輪流切換。
3.將Vo送A/D進行轉換。
4.將轉換的數字量和電壓值對應。
5.重復以上1-4步，得到32路電極的電壓值。
6.將各個電極之間的電壓差用程序相加得到總電壓。
實施例2
結合測量燃料電池電堆的第4，5兩片電極的電壓差時的實施例對本實用新型的方法作進一步的敘述。
結合圖2，當需要測量燃料電池電堆的4，5兩片電極的電壓差時，工作過程如下
1.接在4，5兩片電極之間的INA148得到了電極4和電極5電壓差的模
擬信號Vo＝(Vin+)-(Vin-)。
2.用LPC2119的P0.16，P0.17，P0.18三個I/O口對多路開關1進行選通，選通狀態表如下
編制軟件程序控制可使P0.18＝0，P0.17＝1，P0.16＝1，選通多路開關。
3.用A/D1對Vo進行數模轉換。
4.將轉換的數字量和電壓值對應。
5.獲得到4，5兩片電極的電壓差。
實施例3
結合單片機分析燃料電池電壓的監測信息的實施例對本實用新型的方法作進一步的敘述。
結合圖4，單片機分析燃料電池電壓的監測信息的具體實現過程如下
1.采樣濾波
單片機通過片選選擇測量點，每隔5ms對燃料電池堆301中每一個監測點采樣一次，即每秒采樣200次。每20次的測量值，去除最大值、最低值后加權計算平均值得到測量值。這樣每隔100ms得到一次測量值。
2.數據通訊
首先累加上述測量值得到總電壓。根據上述測量值計算出電壓值最低的監測點的編號及電壓值。當某一監測點的電壓低于燃料電池電極所允許的極限值并超過允許時間時，產生一個關機信息。當某一監測點的電壓低于燃料電池電極所允許的故障值并超過允許時間時，產生一個故障信息。把上述信息通過一幀(多幀)數據發送到CAN總線上。
3.其他
在使用到活化電極等需要知道每個監測點電壓的場合時，允許用戶激活發送所有監測點電壓值的功能。
例如，在50KW燃料電池發電站上，共有480張電極，每個電壓監測點監測2張電極，共有240個電壓監測點。燃料電池分為四個模塊，使用四個電壓監測器，每個電壓監測器監測60個電壓監測點。使用上述方法，每個電壓監測器間隔0.2s向控制器發送一次所監測的電壓監測點的燃料電池電極運行情況。四個電壓監測器一共向控制器發送20幀CAN數據(通常的作法如果達到0.2s向控制器通知一次所有的電壓監測點的情況，至少需要發送300幀CAN數據。電壓監測點/每幀CAN最多電壓監測點數據/時間間隔)。
權利要求1.一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，該裝置包括單電池電壓檢測器、燃料電池控制器，所述的單電池電壓檢測器包括若干差分放大器、若干多路開關、具有控制器區域總線CAN總線通訊接口的單片機，所述的單片機包括A/D轉換器和CPU，所述的若干差分放大器與需要監測的單電池一一對應連接，監測燃料電池電堆的兩片單電極間的電壓差，所述的多路開關在CPU的控制下輪流切換斷開或導通，所述的A/D轉換器將多路開關導通時獲取的差分放大器輸出電壓信號轉換為數字信號，所述的CPU獲取該數字信號并經過分析得到對燃料電池電壓的監測信息，單片機將該監測信息通過CAN總線發送到燃料電池控制器。
2.根據權利要求1所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的差分放大器為一種低功耗單位增益差分放大器，它由一個帶超高精度薄膜電阻網絡的超精密雙極運算放大器組成。
3.根據權利要求1或2所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的燃料電池的每相鄰兩塊單電極使用一個差分放大器，監測具有多個單電極的燃料電池電堆電壓時，順序采用多片差分放大器；所述的差分放大器有低、高兩個電壓信號輸入端Vin-、Vin+和一個輸出端Vo；燃料電池的每個單電極有一個電壓輸出端；燃料電池電堆中第一片單電極的電壓輸出端僅與第一片差分放大器的低電壓輸入端Vin-相連，最末一片單電極的電壓輸出端僅與最末一片差分放大器的高電壓輸入端Vin+相連，其它每一個單電極的電壓輸出端分為兩路，分別與相鄰兩差分放大器的高、低電壓輸入端相連。
4.根據權利要求1所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的多路開關輸入端與差分放大器的輸出端對應連接，當差分放大器的個數超過一個多路開關的輸入端連接數時，采用多個多路開關，多路開關在CPU控制下輪流導通。
5.根據權利要求1所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的A/D轉換器的輸入端與多路開關的輸出端相連，當采用多個多路開關時，對應采用多個A/D轉換器。
6.根據權利要求1所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆根據所組成的單電池總數的多少，可以設置一個或多個這種燃料電池單電池電壓監測器。
7.根據權利要求1所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的監測裝置可以實時對所監測的燃料電池電極的性能進行分析，所述的監測點的分析信息包括電壓最低的一個或幾個監測點的編號及電壓值，當某個監測點的電壓低于燃料電池電極所允許的極限值并超過允許時間時產生的關機信息，當某個監測點的電壓低于燃料電池電極所允許的故障值并超過允許時間時產生的故障信息，所有監測點的總電壓值。
8.根據權利要求1所述的一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，其特征在于，所述的監測裝置可選擇發送所有監測點電壓值。
專利摘要本實用新型涉及一種安全準確的燃料電池電壓監測裝置，該裝置包括單電池電壓檢測器、燃料電池控制器，所述的單電池電壓檢測器包括若干差分放大器、若干多路開關、具有控制器區域總線(CAN總線)通訊接口的單片機，所述的單片機包括A/D轉換器和CPU，所述的若干差分放大器與需要監測的單電池一一對應連接，監測燃料電池電堆的兩片單電極間的電壓差，所述的多路開關在CPU的控制下輪流切換斷開或導通，所述的A/D轉換器將多路開關導通時獲取的差分放大器輸出電壓信號轉換為數字信號，所述的CPU獲取該數字信號并經過分析得到對燃料電池電壓的監測信息，單片機將該監測信息通過CAN總線發送到燃料電池控制器。
文檔編號G01R19/00GK2828836SQ20052004052
公開日2006年10月18日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者王立明, 付明竹, 葛栩栩, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
